TWI645771B - 氣冷散熱裝置 - Google Patents

Abstract

一種氣冷散熱裝置，用以對電子元件散熱，氣冷散熱裝置包含：載體，包括氣流流通通道、導氣端開口及排氣端開口，其中載體罩蓋電子元件且使電子元件位於氣流流通通道內；以及氣體泵浦，包含：共振片，具有中空孔洞；壓電致動器，與共振片相對應設置；以及蓋板，具有側壁、底板及開口部，側壁係環繞底板周緣而凸設於底板上並與底板形成容置空間，且共振片及壓電致動器係設置於容置空間中，開口部係設置於側壁上，其中蓋板之該底板與共振片之間形成第一腔室，該共振片及該蓋板之該側壁共同定義出一匯流腔室。

Description

氣冷散熱裝置

本案係關於一種氣冷散熱裝置，尤指一種利用氣體泵浦提供驅動氣流以進行散熱之氣冷散熱裝置。

隨著科技的進步，各種電子設備例如可攜式電腦、平板電腦、工業電腦、可攜式通訊裝置、影音播放器等已朝向輕薄化、可攜式及高效能的趨勢發展，這些電子設備於其有限內部空間中必須配置各種高積集度或高功率之電子元件，為了使電子設備之運算速度更快和功能更強大，電子設備內部之電子元件於運作時將產生更多的熱能，並導致高溫。此外，這些電子設備大部分皆設計為輕薄、扁平且具緊湊外型，且沒有額外的內部空間用於散熱冷卻，故電子設備中的電子元件易受到熱能、高溫的影響，進而導致干擾或受損等問題。

一般而言，電子設備內部的散熱方式可分為主動式散熱及被動式散熱。主動式散熱通常採用軸流式風扇或鼓風式風扇設置於電子設備內部，藉由軸流式風扇或鼓風式風扇驅動氣流，以將電子設備內部電子元件所產生的熱能轉移，俾實現散熱。然而，軸流式風扇及鼓風式風扇在運作時會產生較大的噪音，且其體積較大不易薄型化及小型化，再則軸流式風扇及鼓風式風扇的使用壽命較短，故傳統的軸流式風扇及鼓風式風扇並不適用於輕薄化及可攜式之電子設備中實現散熱。

再者，許多電子元件會利用例如表面黏貼技術(Surface Mount Technology,SMT)、選擇性焊接(Selective Soldering)等技術焊接於印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)上，然而採用前述焊接方式所焊接之電子元件，於經長時間處於高熱能、高溫環境下，容易使電子元件與印刷電路板相脫離，且大部分電子元件亦不耐高溫，若電子元件長時間處於高熱能、高溫環境下，易導致電子元件之性能穩定度下降及壽命減短。

第1圖係為習知散熱機構之結構示意圖。如第1圖所示，習知散熱機構係為一被動式散熱機構，其包括熱傳導板12，該熱傳導板12係藉由一導熱膠13與一待散熱之電子元件11相貼合，藉由導熱膠13以及熱傳導板12所形成之熱傳導路徑，可使電子元件11利用熱傳導及自然對流方式達到散熱。然而，前述散熱機構之散熱效率較差，無法滿足應用需求。

有鑑於此，實有必要發展一種氣冷散熱裝置，以解決現有技術所面臨之問題。

本案之目的在於提供一種氣冷散熱裝置，其可應用於各種電子設備，以對電子設備內部之電子元件進行散熱，俾提升散熱效能，降低噪音，且使電子設備內部電子元件之性能穩定並延長使用壽命。

本案之另一目的在於提供一種氣冷散熱裝置，其具有溫控功能，可依據電子設備內部電子元件之溫度變化，控制氣體泵浦之運作，俾提升散熱效能，以及延長氣冷散熱裝置之使用壽命。

為達上述目的，本案提供一種氣冷散熱裝置，用以對電子元件散熱，氣冷散熱裝置包含：載體，包括氣流流通通道、導氣端開口及排氣端 開口，其中載體罩蓋電子元件且使電子元件位於氣流流通通道內；以及氣體泵浦，包含：共振片，具有中空孔洞；壓電致動器，與共振片相對應設置；以及蓋板，具有側壁、底板及開口部，側壁係環繞底板周緣而凸設於底板上並與底板形成容置空間，且共振片及壓電致動器係設置於容置空間中，開口部係設置於側壁上，其中蓋板之該底板與共振片之間形成第一腔室，該共振片及該蓋板之該側壁共同定義出一匯流腔室；其中，氣體泵浦之蓋板、壓電致動器及共振片係依序由上而下堆疊固設於載體上，並封閉導氣端開口，當壓電致動器受驅動以進行集氣作業時，氣體係由蓋板之開口部導入匯集至該匯流腔室，並流經共振片之中空孔洞進入第一腔室內暫存，當壓電致動器受驅動以進行排氣作業時，氣體係由第一腔室流經共振片之中空孔洞及該匯流腔室而排出至導氣端開口，以將氣流經由導氣端開口導入氣流流通通道並對電子元件進行熱交換，且將與電子元件進行熱交換後之氣流經由排氣端開口排出。

11‧‧‧電子元件

12‧‧‧熱傳導板

13‧‧‧導熱膠

2、2a‧‧‧氣冷散熱裝置

20‧‧‧載體

21‧‧‧控制系統

211‧‧‧控制單元

212‧‧‧溫度感測器

218‧‧‧膠體

22‧‧‧氣體泵浦

221‧‧‧共振片

221a‧‧‧中空孔洞

222‧‧‧壓電致動器

2221‧‧‧懸浮板

2221a‧‧‧懸浮板之第一表面

2221b‧‧‧懸浮板之第二表面

2221c‧‧‧中心部

2221d‧‧‧外周部

2221e‧‧‧凸部

2222‧‧‧外框

2222a、224a‧‧‧導電接腳

2222b‧‧‧外框之第一表面

2222c‧‧‧外框之第二表面

2223‧‧‧壓電元件

2224‧‧‧支架

2224a‧‧‧支架之第一表面

2224b‧‧‧支架之第二表面

2225‧‧‧空隙

223‧‧‧第一絕緣片

224‧‧‧導電片

225‧‧‧第二絕緣片

226‧‧‧蓋板

226a‧‧‧容置空間

2261‧‧‧側壁

2262‧‧‧底板

2263‧‧‧開口部

227a‧‧‧匯流腔室

227b‧‧‧第一腔室

23‧‧‧導氣端開口

24‧‧‧排氣端開口

25‧‧‧氣體流通通道

26‧‧‧隔熱板

27‧‧‧散熱器

271‧‧‧底座

272‧‧‧散熱片

3‧‧‧電子元件

3a‧‧‧電子元件之第一表面

3b‧‧‧電子元件之第二表面

4‧‧‧熱傳導板

5‧‧‧導熱膠

A-A’‧‧‧切線方向

g0‧‧‧間隙

第1圖為習知散熱機構之結構示意圖。

第2A圖為本案第一較佳實施例之氣冷散熱裝置之結構示意圖。

第2B圖為第2A圖於A-A’截面之結構示意圖。

第3圖為本案第二較佳實施例之氣冷散熱裝置之截面結構示意圖。

第4A為本案第一較佳實施例之氣體泵浦之背面分解結構示意圖。

第4B為本案第一較佳實施例之氣體泵浦之正面分解結構示意圖。

第5圖為本案第一較佳實施例之壓電致動器之剖面結構示意圖。

第6A~6D圖係為本案第一較佳實施例之氣體泵浦之作動過程示意圖。

第7圖為本案第三較佳實施例之氣冷散熱裝置之架構示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。

請參閱第2A、2B圖，第2A圖為本案第一較佳實施例之氣冷散熱裝置之結構示意圖。第2B圖為第2A圖於A-A’截面之結構示意圖。如圖所示，本案之氣冷散熱裝置2可應用於一電子設備，例如但不限於可攜式電腦、平板電腦、工業電腦、可攜式通訊裝置、影音播放器，以對電子設備內待散熱之電子元件3進行散熱。本案之氣冷散熱裝置2包含載體20以及氣體泵浦22，其中載體20包括導氣端開口23、排氣端開口24以及氣體流通通道25。載體20係罩蓋於電子元件3，且使該電子元件3位於氣流流通通道25內。氣體泵浦22係固設於載體20上，且組裝定位於導氣端開口23，並且封閉該導氣端開口23。其中藉由驅動氣體泵浦22，以將氣流經由導氣端開口23導入氣流流通通道25並對電子元件3進行熱交換，且將與該電子元件3進行熱交換後之氣流經由排氣端開口24排出，俾實現對電子元件3之散熱。

於一些實施例中，載體20係由該複數個隔熱板26相組接而形成，且複數個隔熱板26定義形成該氣體流通通道25、該導氣端開口23及該排氣端開口24。氣體泵浦22係固設於載體20之隔熱板26上。載體20罩蓋該電子元件3，並且導氣端開口23與電子元件3對應設置。於一些實施例中，其中電子元件3係具有第一表面3a與第二表面3b，且係以第二表面3b設置於熱傳導板4上，並可透過熱傳導板4之熱傳導路徑進行散熱，又於一些實施例中，承載基板4與電子元件3之第二表面3b間更可塗有 導熱膠5，亦即電子元件3係透過其第二表面3b與導熱膠5堆疊而設置於承載基板4上，但並不以此為限。載體20之隔熱板26連接於熱傳導板4。熱傳導板4係由高熱傳導係數材料製成，該高熱傳導係數材料可為例如但不限於人工石墨。

於本實施例中，氣體泵浦22係為一壓電致動氣體泵浦，用以驅動氣體流動，以將氣體由氣冷散熱裝置2之外部經由導氣端開口23導入氣體流通通道25中。當氣體泵浦22將氣體導入氣體流通通道25時，所導入氣體與載體20內之電子元件3進行熱交換，並推動氣體流通通道25中之氣體快速流動，促使熱交換後之氣流將熱能經由排氣端開口24排至氣冷散熱裝置2之外部。由於氣體泵浦22係連續地作動以導入氣體，使電子元件3可與連續導入之氣體進行熱交換，同時使熱交換後的氣流經由排氣端開口24排出，藉此可實現對電子元件3之散熱，且可提高散熱效能，進而增加電子元件3之性能穩定度及壽命。

第3圖為本案第二實施例之氣冷散熱裝置之截面結構示意圖。如第3圖所示，本實施例之氣冷散熱裝置2a與第2B圖所示之氣冷散熱裝置2相似，且相同之元件標號代表相同之結構、元件與功能，於此不再贅述。相較於第2B圖所示之氣冷散熱裝置2，本實施例之氣冷散熱裝置2a更包括一散熱器27，連接設置於電子元件3之第一表面3a且位於氣體流通通道25中。散熱器27包括一底座271及複數個散熱片272，底座271貼附於電子元件3之表面，複數個散熱片272係垂直連接於底座271。藉由散熱器27之設置，可增加散熱面積，使電子元件3所產生之熱能可經由散熱器27而與氣體流通通道25中之氣體進行熱交換，俾提升散熱效能。

請參閱第4A及4B圖，第4A為本案第一較佳實施例之氣體泵浦之背面分解結構示意圖，第4B為本案第一較佳實施例之氣體泵浦之正面分解結 構示意圖。如圖所示，本案之氣體泵浦22包含共振片221、壓電致動器222、蓋板226等元件。共振片221具有一中空孔洞221a，係對應於載體20之導氣端開口23而設置。壓電致動器222具有懸浮板2221、外框2222、壓電元件2223及至少一支架2224等元件，用以接受施加電壓而驅動氣體泵浦22。蓋板226具有側壁2261、底板2262及開口部2263，側壁2261係環繞底板2262周緣而凸設於底板2262上，並與底板2262共同形成容置空間226a，用以供共振片221及壓電致動器222設置於其中，開口部2263係設置於側壁2261上，用以供外框2222之導電接腳2222a向外穿過開口部2263而凸出於蓋板226之外，以便於與外部電源連接，但不以此為限。於本實施例中，懸浮板2221具有中心部2221c及外周部2221d，當壓電元件2223受電壓驅動時，懸浮板2221可由中心部2221c到外周部2221d彎曲振動，外框2222係環繞設置於懸浮板2221之外側，且具有一導電接腳2222a，導電接腳2222a係向外凸設於外框2222上，用以供電連接之用，但不以此為限。壓電元件2223具有一邊長，該邊長係小於或等於懸浮板2221之邊長，但不以此為限，且壓電元件2223係貼附於懸浮板2221之第二表面2221b，用以接受外加電壓而產生形變，以驅動懸浮板2221彎曲振動。至少一支架2224係設置於懸浮板2221及外框2222之間，且每一支架之2224之兩端係連接懸浮板2221及外框2222，以提供彈性支撐。

再於本實施例中，本案之氣體泵浦22更包含第一絕緣片223、第二絕緣片225及一導電片224，但並不以此為限，其中，第一絕緣片223、第二225係分別設置於導電片224上下，其外形係大致對應於壓電致動器222之外框2222，且係由可絕緣之材質所構成，例如：塑膠，以進行絕緣之用，但皆不以此為限，導電片224則係由導電材質所製成，例如：金 屬，以進行電導通之用，且其外形亦為大致對應於壓電致動器222之外框2222，但皆不以此為限。再於本實施例中，導電片224上亦可設置一導電接腳224a，以進行電導通之用，導電接腳224a亦如外框2222之導電接腳2222a向外穿過蓋板226之開口部2263而凸出於蓋板226之外，以便於與外部電源連接。

請參閱第5圖，第5圖為本案第一較佳實施例之壓電致動器之剖面結構示意圖。如圖所示，於本實施例中，本案之懸浮板2221係為階梯面之結構，即於懸浮板2221第一表面2221a之中心部2221c上更具有一凸部2221e，且凸部2221e為一圓形凸起結構，但並不以此為限，於一些實施例中，懸浮板2221亦可為雙面平整之板狀正方形。懸浮板2221之凸部2221e係與外框2222之第一表面2222b共平面，且懸浮板2221之第一表面2221a及支架2224之第一表面2224a亦為共平面，另外，懸浮板2221之凸部2221e及外框2222之第一表面2222b與懸浮板2221之第一表面2221a及支架2224之第一表面2224a之間係具有一特定深度。至於懸浮板2221之第二表面2221b，其係與外框2222之第二表面2222c及支架2224之第二表面2224b為平整之共平面結構，而壓電元件2223則貼附於此平整之懸浮板2221之第二表面2221b處。於另一些實施例中，懸浮板2221之型態亦可為一雙面平整之板狀正方形結構，並不以此為限，可依照實際施作情形而任施變化。於一些實施例中，懸浮板2221、外框2222及支架2224係可為一體成型之結構，且可由一金屬板所構成，例如可由不鏽鋼材質所構成，但不以此為限。又於本實施例中，本案氣體泵浦22於懸浮板2221、外框2222及支架2224之間更具有至少一空隙2225，用以供氣體通過。

以下進一步說明本案氣體泵浦22之作動流程，請同時參閱第6A~6D圖，其中第6A~6D圖係為本案第一較佳實施例之氣體泵浦之作動過程示意圖。首先，如第6A圖所示，氣體泵浦22之結構係如前述，為依序由蓋板226、第二絕緣片225、導電片224、第一絕緣片223、壓電致動器222及共振片221所堆疊組裝定位而成，且於組合堆疊後之壓電致動器222、第一絕緣片223、導電片224、第二絕緣片225之四周予以塗膠形成膠體218，進而填滿蓋板226之容置空間226a之周緣而完成密封。於共振片221與壓電致動器222之間係具有間隙g0，且共振片221及蓋板226之側壁2261共同定義出匯流腔室227a，於共振片221與蓋板226之底板2262之間則具有第一腔室227b。當氣體泵浦22尚未受到電壓驅動時，其各元件之位置即如第6A圖所示。

接著如第6B圖所示，當氣體泵浦22之壓電致動器222受電壓致動而向上振動時，氣體會由蓋板226之開口部2263進入氣體泵浦22中，並匯集到匯流腔室227a，接著再經由共振片221上的中空孔洞221a向上流入至第一腔室227b中，同時共振片221受到壓電致動器222之懸浮板2221共振影響亦會隨之進行往復式振動，即共振片221隨之向上形變，即共振片221在中空孔洞221a處向上微凸。

其後，則如第6C圖所示，此時壓電致動器13係向下振動回初始位置，並使壓電致動器222之懸浮板2221之凸部2221e接近於共振片221，促使下半層第一腔室227b內的氣體推擠向兩側流動而經過壓電致動器222之空隙2225向上穿越流通，以流至上半層第一腔室227b內暫存。由此實施態樣可見，當共振片221進行垂直之往復式振動時，係可由共振片221與壓電致動器222之間的間隙g0以增加其垂直位移的最大距離，換 句話說，於共振片221與壓電致動器222之間設置之間隙g0可使共振片221於共振時可產生更大幅度的上下位移。

再如第6D圖所示，壓電致動器222再向下振動，且共振片221由於受壓電致動器222振動之共振作用，共振片221亦會隨之向下振動，促使上半層第一腔室227b內的氣體推擠向兩側流動並經過壓電致動器222之空隙2225向下穿越流通，以流至共振片221之中空孔洞221a處而壓縮排出，形成一股壓縮氣流向承載基板20之導氣端開口23處以對熱傳導板4進行散熱。

最後，共振片221會回位至初始位置，即如第6A圖所示，進而透過前述之作動流程，由第6A~6D圖之順序持續循環，氣體會持續地經由蓋板226之開口部2263而流入匯流腔室227a，再流入第一腔室227b，並接著由第一腔室227b流入匯流腔室227a中，使氣流連續流入導氣端開口23中，進而能夠穩定傳輸氣體。換言之，當本案之氣體泵浦22運作時，氣體係依序流經之蓋板226之開口部2263、匯流腔室227a、第一腔室227b、匯流腔室227a及導氣端開口23，故本案之氣體泵浦22可透過單一元件，即蓋板226，並利用蓋板226之開口部2263之結構設計，能夠達到減少氣體泵浦22之元件數量，簡化整體製程之功效。

請參閱第7圖，第7圖為本案第三較佳實施例之氣冷散熱裝置之架構示意圖。本實施例之氣冷散熱裝置2係具有溫控功能，其更包括控制系統21，該控制系統21包含控制單元211及溫度感測器212，其中控制單元211係與氣體泵浦22電連接，以控制氣體泵浦22之運作。溫度感測器212係設置於載體20內，且鄰近於電子元件3，以用於感測電子元件3附近之溫度，或者直接貼附於電子元件3上感測電子元件3溫度。溫度感測器212係電連接於控制單元211，感測電子元件3之溫度，並將感測訊號 傳輸至控制單元211。控制單元211依據溫度感測器212之感測訊號，判斷該電子元件3之溫度是否高於一溫度門檻值，當控制單元211判斷該電子元件3之溫度高於該溫度門檻值時，發出一控制訊號至氣體泵浦22，以致能氣體泵浦22運作，藉此使氣體泵浦22驅動氣流流動以對電子元件3進行散熱冷卻，俾使電子元件3散熱冷卻並降低溫度。當控制單元211判斷該電子元件3之溫度低於該溫度門檻值時，發出一控制訊號至氣體泵浦22，以停止氣體泵浦22運作，藉此可避免氣體泵浦22持續運作而導致壽命減短，降低額外的能量的耗損。是以，透過控制系統21之設置，使氣冷散熱裝置2之氣體泵浦22於電子元件3溫度過熱時可進行散熱冷卻，並於電子元件3溫度降低後停止運作，藉此可避免氣體泵浦22持續運作而導致壽命減短，降低額外的能量的耗損，亦可使電子元件3於一較佳溫度環境下運作，提高電子元件3的穩定度。

綜上所述，本案提供一種氣冷散熱裝置，其可應用於各種電子設備以對其內部之電子元件散熱，俾提升散熱效能，降低噪音，且使電子設備內部電子元件之性能穩定並延長使用壽命。此外，本案之氣冷散熱裝置，其具有溫控功能，可依據電子設備內部電子元件之溫度變化，控制氣體泵浦之運作，俾提升散熱效能，以及延長散熱裝置之使用壽命。

本案得由熟悉此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims (7)

1. 一種氣冷散熱裝置，用以對一電子元件散熱，該氣冷散熱裝置包含：一載體，包括一氣流流通通道、一導氣端開口及一排氣端開口，其中該載體罩蓋該電子元件且使該電子元件位於該氣流流通通道內；以及一氣體泵浦，包含：一共振片，具有一中空孔洞；一壓電致動器，與該共振片相對應設置；以及一蓋板，具有一側壁、一底板及一開口部，該側壁係環繞該底板周緣而凸設於該底板上並與該底板形成一容置空間，且該共振片及該壓電致動器係設置於該容置空間中，該開口部係設置於該側壁上，其中該蓋板之該底板與該共振片之間形成一第一腔室，該共振片及該蓋板之該側壁共同定義出一匯流腔室；其中，該氣體泵浦之該蓋板、該壓電致動器及該共振片係依序由上而下堆疊固設於該載體上，並封閉該導氣端開口，當該壓電致動器受驅動以進行集氣作業時，氣體係由該蓋板之該開口部導入匯集至該匯流腔室，並流經該共振片之該中空孔洞進入該第一腔室內暫存，當該壓電致動器受驅動以進行排氣作業時，氣體係由該第一腔室流經該共振片之該中空孔洞及該匯流腔室而排出至該導氣端開口，以將氣流經由導氣端開口導入該氣流流通通道並對該電子元件進行熱交換，且將與該電子元件進行熱交換後之氣流經由該排氣端開口排出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣冷散熱裝置，其中該載體包括複數個隔熱板組接以定義形成該氣流流通通道、該導氣端開口及該排氣端開口，其中該導氣端開口與該電子元件對應設置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣冷散熱裝置，其中該壓電致動器包含：一懸浮板，具有一第一表面及一第二表面，且可彎曲振動；一外框，環繞設置於該懸浮板之外側；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，以提供彈性支撐；以及一壓電元件，具有一邊長，該邊長係小於或等於該懸浮板之一邊長，且該壓電元件係貼附於該懸浮板之一第二表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動。
4. 如申請專利範圍第3項所述之氣冷散熱裝置，其中該懸浮板為一正方形懸浮板，並具有一凸部。
5. 如申請專利範圍第3項所述之氣冷散熱裝置，其中該氣體泵浦包括一導電片、一第一絕緣片以及一第二絕緣片，其中該共振片、該壓電致動器、該第一絕緣片、該導電片、該第二絕緣片及該蓋板係依序由下而上堆疊設置。
6. 如申請專利範圍第5項所述之氣冷散熱裝置，其中該壓電致動器之該外框具有一導電接腳，該導電片具有一導電接腳，而該氣體泵浦之該蓋板之該開口部設置於該側壁上，用以供該外框之該導電接腳及該導電片之該導電接腳向外穿過該開口部而凸出於該蓋板之外，以便於與外部電源連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氣冷散熱裝置，其更包括一控制系統，該控制系統包括：一控制單元，電連接於該氣體泵浦，以控制該氣體泵浦運作；以及一溫度感測器，電連接於該控制單元且鄰設於該電子元件，以感測該電子元件之一溫度以輸出一感測訊號至該控制單元；其中，當該控制單元於接收到該感測訊號，並判斷該電子元件之該溫度大於一溫度門檻值時，該控制單元使該氣體泵浦致動，以驅動氣流流動，以及當該控制單元於接收到該感測訊號，並判斷該電子元件之該溫度低於該溫度門檻值時，該控制單元使該氣體泵浦停止運作。